Дуговая сталеплавильная печь ДСП-25 в системе электроснабжения завода малого машиностроение

Содержание
Введение 7
1 Технологический процесс 8
2 Исходные данные 10
3 Основные элементы конструкции печи ДСП-25 11
3.1 Кожух печи 11
3.2 Днище печи 11
3.3 Сводовое кольцо 11
3.4 Уплотнение электродных отверстий 11
3.5 Люлька печи 13
3.6 Полупортал печи 13
3.7 Установка электромагнитного перемешивания 13
3.8 Улавливание и удаление газов 14
4 Механизмы печи ДСП-25 15
4.1 Механизм перемещения электродов 15
4.2 Механизм наклона печи 17
4.3 Механизм подъёма и поворота свода 18
4.4 Механизм вращения корпуса 20
4.5 Механизм электрододержателя 21
5 Электрическое оборудование ДСП-25 23
5.1 Общие сведения об оборудовании дуговых
сталеплавильных печей. 23
5.2 ДСП как объект автоматического регулирования
электрического режима 26
5.3 Функциональная схема и области применения
САР мощности ДСП 27
5.4 Электрогидравлический регулятор мощности 28
6 Расчёт массогабаритных показателей печи ДСП-25 29
6.1 Расчёт полезной удельной энергии на расплавление
металла и шлака 29
6.2 Расчёт размеров рабочего пространства печи 29
7 Выбор футеровки печи ДСП-25 32
7.1 Футеровка подины 32
7.2 Футеровка стен 32
7.3 Свод печи 33
7.4 Рабочее окно 33
7.5 Сливной носок 33
8 Тепловой расчёт 34
8.1 Тепловой расчёт подины 36
8.2 Тепловой расчёт свода 37
8.3 Тепловой расчёт потерь через боковые стенки 39
8.4 Потери через рабочее окно и с печными газами 49
8.5 Потери при простое печи 50
9 Энергетический баланс для периода расплавления 51
9.1 Энергия экзотермической реакции в ванне печи 51
9.2 Энергия за период расплавления 51
9.3 Средняя за период энергия активная мощность печи 51
9.4 Активная мощность 51
9.5 Упрощенный энергетический баланс ДСП-25 51
9.6 Тепловой КПД печи 51
9.7 Удельный расход электроэнергии на тонну жидкой стали 51
9.8 Удельный расход электроэнергии на тонну завалки 51
10 Расчёт энергетических параметров печи ДСП-25 52
10.1 Выбор печного трансформатора 52
10.2 Выбор электродов 53
10.3 Построение электрических и рабочих
характеристик электродуговой печи ДСП – 25 57
10.4 Рабочие характеристики печи ДСП-12 59
11 Основа безопасности жизнедеятельности 60
11.1 Анализ условий труда 60
11.2Техника безопасности при работе на дуговых
сталеплавительных печах 61
11.3 Расчет высоты трубы в литейном цехе 63
11.4 Расчет заземление ГПП 64
12 Экономическая часть 70
12.1 Резюме 70
12.3 Характеристика предприятия и его продукция 71
12.4 Потребители и оценка рынка 72
12.5 Инвестиционный план 74
12.6 Финансовый план 83

Заключение 84
Исходные данные
Дуговая сталеплавильная печь: ДСП-25 G = 25 тонн
Выплавляемая сталь: электротехническая
Напряжение питающей подстанции Uп.ст. = 10 кВ.
Из практических данных возьмём продолжительности процессов плавки, вспомогательных операций и полное время рабочего цикла печи в соответствии с ёмкостью данной печи

Длительность плавления стали пл. = 2,0 ч

Коэффициент угара металла при расплавлении kуг. = 0,055

Перегрев металла и шлака tпер. = 50 оС

Температура плавления металла (малоуглеродистый стальной лом, углерод – 0,1 – 0,4 %) tм = 1510 оС

Температура загружаемой в печь шихты tо = 15 оС

Удельная теплоёмкость стали
в твёрдом состоянии С1 = 0,195 кВтч/тг
в жидком состоянии С2 = 0,232 кВтч/тг
для шлака в среднем С3 = 0,334 кВтч/тг
Скрытая теплота плавления
стали gст = 79 кВтч/т
шлака gшл = 58 кВтч/т
Кратность шлака
(отношение массы шлака в печи к ёмкости печи) шл = 0,05
3 Основные элементы конструкции печи ДСП-25
3.1 Кожух печи
Кожух – основная часть каркаса печи. Сварен из листовой стали и усилен вертикальными и горизонтальными рёбрами жёсткости. Верхняя его часть цилиндрическая, нижняя – коническая, что позволяет выполнять футеровку стен с наклоном. Для удобства транспортировки и монтажа кожух имеет вертикальный и горизонтальный разъёмы. Горизонтальный разъём выполнен на отметке, близкой к отметке порога рабочего окна. Составные части кожуха по вертикали соединяются болтами, а по горизонтали соединяются кольцами с клиньями. Верхний пояс жёсткости кожуха выполнен в виде кольца с песочным затвором.

3.2 Днище печи
Днище печи имеет сферическую форму. Печь оборудуется устройством для электромагнитного перемешивания жидкого металла, поэтому центральную часть днища конструирую из немагнитной вставки путём свободной укладки. Больший расход немагнитного материала компенсируется возможностью свободного расширения днища при нагреве, что положительно сказывается на плотности огнеупорной части подины.

3.3 Сводовое кольцо
Сводовое кольцо выполняю без водяного охлаждения с основой из цельнотянутой трубы. Применение стальной трубы в сравнении со сварной коробкой проще и менее трудоёмко в изготовлении, не требуется подгонка свариваемых деталей по окружности, а требуется в незначительном объёме лишь в местах стыков труб по длине.

3.4 Уплотнение электродных отверстий
Основное назначение уплотнений электродных отверстий – предотвращение выбивания газов из рабочего пространства печи и охлаждение внешней части электродов, выступающих выше свода. Уплотнение электродных отверстий позволяет сократить расход электродов и электроэнергии, снизить окисление элементов металлической шихты и легирующих элементов, уменьшить разгар свода вокруг электродных отверстий, улучшить условия работы головок электрододержателей. В проектируемой печи уплотнением электродных отверстий служит экономайзер, охлаждаемый водой с уплотняющим устройством с набивкой из асбеста с глиной. Подбивка уплотнения проводится после загрузки печи шихтой, перед началом расплавления.

1 – кольцо из огнеупорных кирпичей; 2 – улитка
Рисунок 2 Надсводовое уплотнение.

а – охлаждающее; б – с уплотняющим устройством; в – с уплотняющими секторами Беляева; г – со змеевиком в бетонном блоке с футерованным уплотняющим кольцом.
Рисунок 3 Сводовые уплотняющие кольца
3.5 Люлька печи
Люлька печи состоит из двух сегментов, скреплённых между собой балками. Нижняя опорная часть сегмента люльки выполнена в виде коробки. На нижнем листе коробки расположены два ряда шипов. На люльке крепятся опорные узлы для установки корпуса печи и механизма его подъёма и поворота, а так же колонны, на которые опирается во время работы печи траверса со сводом и электрододержателями.

3.6 Полупортал печи
К полупорталу печи в трёх точках на тягах подвешивается свод. Полупортал в этой части является составной частью траверсы и при раскрытии рабочего пространства вместе с шахтой, колоннами электрододержателей и сводом поднимается при помощи гидравлического плунжера и поворачивается в сторону разливочного пролёта. В опущенном состоянии полупортал в двух точках опирается на колонны люльки, в третьей точке масса траверсы через тягу и свод передаётся на кожух. В нижней внутренней части балок полупортала имеются коробки для охлаждения. На балках полупортала установлена площадка для обслуживания электродов.
Сбоку печи на отдельном фундаменте имеется стационарная опора, с которой может соединяться несущая траверса.

3.7 Установка электромагнитного перемешивания
1 – статор с обмотками, создающими бегущее магнитное поле; 2 – футеровка; 3 – жидкий металл; 4 – направление усилий под действием бегущего поля; 5 – направление движения металла у откосов ванны
Рисунок 4 Принцип электромагнитного перемешивания жидкого металла

В ДСП средней ёмкости имеет место заметный перепад температуры по высоте жидкого металла. Для обеспечения интенсивного протекания химических реакций со шлаком (снижения времени протекания реакции) необходимо перемешивание жидкого металла.
Приводимые в движение слои жидкого металла доходят до конической поверхности футеровки ванны и вызывают движение верхних слоёв в обратном направлении. За счёт переключения обмоток статора возможно изменение направления движения металла.
А – в режиме скачивания; в – режиме перемешивания; 1 – шлак;
2 – статор
Рисунок 5 Движение металла и шлака в дуговой печи при разных режимах

Применяю для разрабатываемой печи статор серии СЭП, который питается от тиристорного преобразователя частоты. Управление статором происходит с поста управления; охлаждение водяное по замкнутой схеме водоохлаждения.
Монтируется статор на двух поперечных балках, соединяющих сегменты люльки. Система опоры статора конструируется так, что его можно монтировать и демонтировать, не снимая кожуха печи.

3.8 Улавливание и удаление газов
При ведении плавки в ДСП образуется значительное количество пыли и газов. Для отвода газов от печи применяют различные схемы улавливания и отбора газов.
В проектируемой печи предусматриваю систему непосредственного отсоса газов из рабочего пространства, при которой газоотборный патрубок устанавливается над четвёртым отверстием в своде. Конструкция патрубка обеспечивает рассоединение системы газового тракта во время наклона печи и отворота свода, охлаждение газов и дожигание окиси углерода.
Общим недостатком систем отсоса через свод является снижение строительной прочности свода и ухудшение условий его службы.
4 Механизмы электропечи ДСП-25

4.1 Механизм перемещения электродов

1 – электрододержатель; 2 – противовес; 3 – трос; 4 – рейка; 5 – ведущая шестерня; 6 – колонна электрододержателя; 7 – гидравлический плунжер
Рисунок 6 Кинематические схемы механизмов перемещения электродов

1 – корпус; 2 – шпиндель подъёма; 3 – поршень подъёма; 4 – рейка; 5 – поршень поворота
Рисунок 7 Механизм подъёма и поворота свода с гидравлическим приводом

В проектируемой печи этот механизм гидравлический. Гидравлические плунжеры встроены в стойки. Гидравлический привод состоит из силового цилиндра одностороннего действия (спуск за счёт силы веса стойки и электрода) с плунжером, шарнирно соединённым с подвижной стойкой маслонапорной станции.
Рабочая жидкость – водомасляная эмульсия. Все маслопроводы выполнены в жёстком исполнении: гибкие шланги заключены в металлические рукава. Скорость подачи жидкости в плунжеры определяется электрогидравлическим регулятором мощности. К преимуществам гидравлического механизма относится безъинерционность и отсутствие запаздывания, возможность быстрого изменения скорости перемещения электродов путём бесступенчатого регулирования, плавность движения, компактность. Однако этот механизм требует тщательного ухода и частых профилактических осмотров.

4.2 Механизм наклона печи
1 – опорный сегмент; 2 и 4 – крепление гайки; 3 – гайка; 5 – литая постель;6 – винт; 7 – шарнирное крепление вала винта; 8 – ручной привод; 9 – редуктор; 10 – двигатель.
Рисунок 8 Боковой механизм наклона дуговой печи

Печь наклоняется на люльке, установленной на фундаментных балках, с помощью двух гидравлических цилиндров, которые могут работать независимо друг от друга. Наклон печи осуществляется на 40 – 45 о в сторону слива и на 10 – 15 о в сторону рабочего окна. Этот механизм прост по устройству, несложен в обслуживании и надёжен в работе, он установлен в сочетании с другими гидравлическими механизмами печи. Краны управления наклоном печи находятся на рабочей площадке у пульта управления печи и со стороны слива.
1 – силовой цилиндр; 2 – головка штока цилиндра; 3 – сегмент; 4 постель; 5 – напрвляющие штыри.
Рисунок 9 Нижний механизм наклона печи с гидравлическим приводом

4.3 Механизм подъёма и поворота свода
В проектируемой печи механизм подъёма и отворота свода устанавливается на отдельной станине, которая опирается на отдельный фундамент. Для подъёма свода применён гидравлический привод. Жидкость в цилиндр подъёма подаётся от общей гидросистемы. Перед завалкой шихты несущая траверса вместе с подвешенным к ней сводом и телескопическими стойками поднимается и поворачивается на угол 75о с помощью гидравлических механизмов. Вертикальный гидроцилиндр поднимает шток толкателя, который своей верхней конической частью входит в гнездо траверсы и поднимает её, а два горизонтальных цилиндра с помощью реечного механизма поворачивают её на нужный угол.

1 – сводовое кольцо, несущее на себе стойки; 2 – тяги, соединяющие стойки со сводовым кольцом; 3 – гидравлический механизм подъёма и поворота свода.
Рисунок 10 Схема печи с поворотным сводом
4.4 Механизм вращения корпуса
Механизм вращения корпуса вокруг вертикальной оси служит для ускорения проплавления шихтовых материалов и предотвращения повреждения подины электрическими дугами в начале расплавления.
Ванна может поворачиваться вокруг вертикальной оси от нейтрального положения в обе стороны на 40 о. Кожух печи опирается кольцевым рельсом на четыре тумбы с опорными и центрирующими роликами. Привод механизма вращения ванны состоит из электродвигателя и двух редукторов, на выходных, валах которых насажены конические шестерни, входящие в зацепление с коническими сегментами на нижней части корпуса печи.

1 – двигатель; 2, 3, 4 – редуктор; 5, 6 – рейка, связанная с корпусом печи; 7 – ролики, препятствующие смещению печи; 8 – ролики, на которые опирается корпус печи.
Рисунок 11 Схема механизма вращения ванны печи

4.5 Механизм электрододержателя

1 – корпус электрододержателя; 2 – щека; 3 – зажимная колодка; 4 – токопровод; 5 – рукав; 6 – шток; 7 – зажимная пружина; 8 – пневмоцилиндр; 9 – рычаги; 10 – площадка крепления рукава на стойке.
Рисунок 12 Электрододержатель с пружинно- пневматическим зажимо
Электрододержатель – зажим для закрепления электрода. Он должен иметь способность сжимать электрод с силой способной предотвратить его проскальзывание.
1 – токопровод (пакет медных лент); 2 – щёки; 3 – стяжной болт, ввинчивающийся в гайки 4; 5 – шарнир; 6 – водоохлаждение.
Рисунок 13 Клещевидный одношарнирный бронзовый электрододержатель с двумя щёками и с водяным охлаждением

В проектируемой печи применяю пружинно – пневматический зажим, когда электрод зажимается между щеками корпуса электрододержателя и зажимной колодкой, которая зажимается с помощью штока и мощных пружин. Освобождение электрода производится дистанционно с помощью пневмоцилиндра сжимающего пружины. Таким образом, в случае исчезновения сжатого воздуха электроды не падают вниз, а остаются зажатыми.

5 Электрическое оборудование ДСП-25

5.1 Общие сведения об оборудовании дуговых сталеплавильных печей.
Выбор электрического оборудования дуговых печей определяется следующими условиями.
Напряжение печи при ее работе требуется регулировать в довольно широких пределах. В период расплавления при холодной шихте дуга в печи неустойчива, коротка, и для увеличения мощности необходимо повышать напряжение. При рафинировании вследствие изменившихся тепловых условий в ванне дуга значительно удлиняется, и во избежание выхода из строя футеровки стен и свода ее укорачивают, снижая напряжение.
Для возможности регулирования рабочего напряжения каждую печь комплектуют питающим трансформатором с несколькими ступенями напряжения. Для малых печей, выплавляющих сталь для фасонного литья, период рафинирования очень короток, и можно ограничиться 2-4 ступенями напряжения; трансформаторы же крупных печей, выплавляющих сталь для слитков, должны иметь много ступеней напряжения, чтобы для каждого периода плавки и каждого технологического процесса можно было подобрать оптимальное напряжение.
Так как дуговые печи, мощность которых достигает тысяч и десятков тысяч киловатт, работают при сравнительно низких напряжениях и очень больших токах, печные трансформаторы располагают, возможно, ближе к печи. Поэтому в сталеплавильных и медеплавильных цехах с дуговыми печами рядом с последними строят внутрицеховые печные подстанции, в которых и располагают все необходимое электрооборудование.
В дуговой печи короткое замыкание электродов на металл - нормальное эксплуатационное, ей присущее явление, и необходимо обезопасить его последствия. С этой целью стремятся ограничить величины толчков тока при коротком замыкании, для чего на малых печах, у которых собственная индуктивность короткой сети и трансформатора недостаточна, в цепь установки со стороны высшего напряжения включают дроссель (реактор) с сердечником. Само замыкание стремятся, возможно, быстрее ликвидировать, оснащая установку быстродействующим автоматическим регулятором мощности.
Дуговая печь, как любая крупная электроустановка, должна иметь необходимую коммутационную, измерительную и сигнальную аппаратуру, а также защиту от перегрузок и аварийных коротких замыканий.
Печные трансформаторы, подверженные частым эксплуатационным коротким замыканиям, имеют повышенные механическую прочность и перегрузочную способность. Трансформаторы прежних выпусков с естественным масляным охлаждением и большим запасом масла обладали большой перегрузочной способностью. Так, печные трансформаторы Московского трансформаторного завода выдерживали после длительного холостого хода перегрузку на 25% в течение 4 ч и в течение 2 ч. после длительной номинальной нагрузки. Это позволяло при необходимости фиксировать за счет резерва мощности период расплавления, длящийся всего
2 - 3 ч.
Электрическая схема питания дуговой сталеплавильной печи.
В настоящее время крупные печные трансформаторы имеют принудительное водомасляное охлаждение; запас масла и, следовательно, перегрузочная способность у них меньше. Но и последняя серия печных трансформаторов допускает перегрузку на 25% в период расплавления.
Трансформаторы для малых сталеплавильных печей, выплавляющих сталь для фасонного литья, часто имеют только два напряжения, получаемые переключением высоковольтной обмотки с треугольника на звезду, т.е. различающиеся в раз. Число ступеней крупных печных трансформаторов может доходить до 23. Это дает известные удобства в эксплуатации, в особенности при переходе с одной марки стали на другую. Ступени напряжения трансформатора изменяют обычно переключателем с дистанционно управляемым приводом. Переключение ступеней напряжения, как правило, производят при отключенном трансформаторе, так как конструкция переключателя, работающего под нагрузкой, очень сложна и дорога. Только у весьма крупных печей трансформаторы имеют такие переключатели; в остальных случаях обычно привод переключателя во избежание аварии блокируют с главным выключателем высокого напряжения.
Реактивное сопротивление печных трансформаторов составляет 6-10%; для малых печей сопротивление короткой сети равно 5 - 10%. Между тем общее реактивное сопротивление установки должно составлять 30 - 40%, для того чтобы обеспечить устойчивость дуги и ограничить толчки тока при эксплуатационных КЗ до значений 2,5 - 3 номинального тока. Поэтому со стороны высшего напряжения включают дополнительную индуктивность—дроссель (реактор с сердечником и масляным охлаждением), имеющий относительное реактивное сопротивление около 15 - 25%.
Так как индуктивность реактора не должна зависеть от тока, его сердечник работает в режиме, далеком от насыщения.
Ограничение толчков тока при коротких замыканиях и стабилизация горения дуги нужны только в период расплавления; во время восстановления дуга вполне устойчива без дополнительной индуктивности, а толчки тока мало вероятны. Поэтому, как правило, параллельно реактору включают разъединитель или вспомогательный выключатель высокого напряжения, позволяющий закоротить реактор на период восстановления.
Для малых печей применяли также трансформаторы с повышенным до 20% реактивным сопротивлением, чтобы обойтись без реактора. Такой способ нельзя признать рациональным, так как повышенное сопротивление сохраняется весь период работы печи, в том числе при восстановлении, когда в нем нет необходимости.
В установках крупных печей (емкостью свыше 40 тонн) реактивное сопротивление короткой сети может превысить 20%, а у установки в целом 26 - 40%. В этом случае нет необходимости в реакторе. Индуктивность короткой сети наиболее крупных печей возрастает настолько, что возникает задача ее снижения, а не увеличения.
Коммутационная аппаратура дуговой печной установки работает в более тяжелых условиях, чем аппаратура общепромышленных установок.
Число отключений печи, в том числе при КЗ, доходит до нескольких десятков в сутки. Это ставит в особо тяжелые условия, размыкающие контакты и масло выключателей и требует частых (до двух в месяц) ревизий и частых замен масла. В частности, маломасляные горшковые выключатели совершенно непригодны для подстанций дуговых печей; здесь применяют только многомасляные или воздушные выключатели с магнитным или воздушным дутьем или деионной решеткой. Кроме надежности и взрывобезопасности, последние имеют еще и то достоинство, что благодаря относительно медленному отключению контура печи они снижают коммутационные перенапряжения, которые при масляных выключателях могут достигать в печных установках 15 - кратного значения.
В печных дуговых установках необходимы защиты от перегрузки и от аварийных коротких замыканий. Первую обеспечивают обычно на стороне низшего напряжения печного трансформатора с помощью максимальных реле с зависимой выдержкой времени, а вторую - с помощью максимальных реле мгновенного действия, подключаемых к трансформаторам тока на стороне высшего напряжения. Уставку мгновенных реле выбирают так, чтобы они не реагировали на эксплуатационные короткие замыкания, ликвидируемые системой автоматического регулирования мощности дуговой печи в течение 2 - 4 сек. Поэтому защита от перегрузки, устанавливаемая на двух трех кратный ток, в то же время имеет выдержку времени, большую, чем время отработки автоматики, т.е. 5 - 10 сек. Реле защиты от аварийных коротких замыканий срабатывают практически мгновенно, но их уставки должны быть выше кратности токов эксплуатационных коротких замыканий (они обычно равны пятикратному номинальному току).
Печные трансформаторы имеют газовую защиту и сигнальные термометры. Дифференциальная защита на печных трансформаторах не применяется из-за резко различных характеристик трансформаторов тока на сторонах высшего и низшего напряжения.
Остальная аппаратура, применяемая на печных дуговых подстанциях, не отличается по условиям работы и методам выбора от аппаратуры общепромышленных электроустановок. Отметим только, что амперметры токов фаз печи выбирают с тройным запасом шкалы; (из-за частых эксплуатационных коротких замыканий), расширенной средней и суженной правой частями шкалы.....